实验二 透明介质折射率的测定

1、实验二 透明介质折射率的测定折射率是光学材料的重要参数之一，它与材料的温度、湿度、浓度等基本物理量有一定的关系，在科研和生产实际中，常通过测量折射率来获得材料的相关信息本实验用掠入射法测定液体折射率，用光的折射法测固体折射率·实验目的 1了解阿贝折射仪的工作原理，熟悉其使用方法；2用掠入射法测定液体的折射率； 3用像的视高法测固体的折射率18151反光镜；6阿米西棱镜手轮（色散调节手轮）；7色散值刻度圈； 8目镜；10棱镜锁紧手柄；11棱镜组；13温度计座；14底座；15折射率刻度调节手轮（转动棱镜）；16校正螺钉；18圆盘组；19小反光镜；20读数镜筒；21望远镜筒14671819

2、20211011图2-1（a）WZS-1型阿贝折射仪结构图1613·实验仪器 阿贝折射仪，移测显微镜，钠灯，玻璃砖，水、酒精等待测液体阿贝折射仪是测量固体和液体折射率的常用仪器，测量范围为1.31.7，可以直接读出折射率的值，操作简便，测量比较准确，精度为0.0003测量液体时所需样品很少，测量固体时对样品的加工要求不高 1.阿贝折射仪的外部结构 实验用阿贝折射仪的型号有两种：WZS-1型阿贝折射仪结构见图2-1（a）、2WAJ型阿贝折射仪结构见图2-1（b）1011812951133图2-1（b）2WAJ型阿贝折射仪结构图167217156144 1反光镜；2棱镜座连接转轴；3遮光

3、板；4恒温器接头；5进光棱镜座；6色散调节手轮；7色散值刻度圈；8目镜；9盖板； 10棱镜锁紧手轮； 11折射标棱镜座； 12照明刻度盘聚光镜； 13温度计座； 14底座； 15折射率刻度调节手轮；16校正螺钉； 17壳体； 图2-2 阿贝折射仪光学结构示意图 2.阿贝折射仪的光学系统 WZS-1型阿贝折射仪的光学系统由两部分组成：望远系统与读数系统如图2-2所示望远系统：光线经反射镜1反射进入照明棱镜2及折射棱镜3，待测液体放置在棱镜2与3之间，经阿米西消色差棱镜组4抵消由于折射棱镜待测物质所产生的色散，通过物镜5将明暗分界线成像于分划板6上，再经目镜7和8放大成像后为观察者所观察 图2-3

4、 阿米西消色差棱镜 阿米西消色差棱镜组由两个完全相同的直视棱镜组成，每一个直视棱镜又由三个分光棱镜复合而成，如图2-3所示棱镜1和3的介质相同，与棱镜2互为倒置，并使钠黄光（D线）能无偏向地通过，但对波长较长的红光（C线）、波长较短的紫光（F线），因复合棱镜的色散，将产生相应的偏折，其主截面如图2-3所示消色差棱镜组通过一个公用的旋钮调节，使之绕望远镜的光轴沿相反方向同时转动，转动的角度可从读数盘上读出在平行于阿贝折射棱镜的主截面内，产生一个随转动角度改变的色散，色散的方向和数值的大小均可变化，以抵消由于折射棱镜和待测样品产生的色散，使半荫视场清晰、界线分明从消色差棱镜组转动的角度，对照仪器的

5、附表，便可查得样品的平均色散nFnC读数系统：光线由小反光镜经毛玻璃照亮刻度盘，经转向棱镜11及物镜10将刻度成像于分划板9上，再经目镜7、8放大成像后为观察者所观察 2WAJ型阿贝折射仪的光学系统由由望远系统和读数系统两部分组成，如图2-4所示。望远系统：光线进入进光棱镜1与折射棱镜2之间有一微小均匀的间隙，被测液体就放在此空隙内。当光线射入进光棱镜1时便在磨砂面上产生漫反射，使被测液层内有各种不同角度的入射光，经折射棱镜2产生一束折射角均大于出射角度i的光线。由摆动反射镜3将此束光线射入消色散棱镜组4，此消色散棱镜组是由一对等色散阿米西棱镜组成，其作用是可获得一可变色散来抵消由于折射棱镜对

6、不同被测物体所产生的色散。再由望远镜5将此明暗分界线成像于分划板 7上，分划板上有十字分划线，通过目镜8能看到如图2-5上部分所示的像。读数系统：光线经聚光镜12照明刻度板11（刻度板与摆动反射镜3连成一体同时绕刻度中心作回转运动）。通过反射镜10，读数物镜9，平行棱镜6将刻度板上不同部位折射率示值成象于分划板7上，如图2-5下部分的像。图2-5 阿贝折射仪目镜视场图2-4 阿贝折射仪光学结构示意图101112936214578·实验原理 一、用掠入射法测定液体折射率图2-6 折射光路图将折射率为n的待测物质，放在已知折射率为n1（nn1）的直角棱镜的折射面AB上，若以单色的扩展光源

7、照射分界面AB，则入射角为/2的光线1将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内，其折射角ic应为临界角从图2-6可以看出应满足关系：当光线1射到AC面，再经折射而进入空气时，设在AC面上的入射角为，折射角为，则有： （2-1）除入射光线1外，其他光线如光线2在AB面上的入射角均小于/2，因此，经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线1的左侧当用望远镜对准出射光方向观察时，在视场中将看到以光线1为分界线的明暗半荫视场，如图2-6所示 当三棱镜的棱镜角A大于角ic时，由图2-4可以看出，A、ic和角有如下关系： （2-2）将（2-1）和（2-2）式消去ic和若棱镜角A等于90度，可得 （2-3）若棱镜角A不

8、等于90度，可得： （2-4）因此，当直角棱镜的折射率n1为已知时，测出角后便可计算出待物质的折射率n上述测定折射率的方法称为掠入射法，是应用全反射原理 二、用阿贝折射仪测定透明介质的折射率 阿贝折射仪也是根据全反射原理设计的它有两种工作方式，即透射式和反射式阿贝折射仪中的折射棱镜ABC和照明棱镜ABC都是直角棱镜，由重火石玻璃制成照明棱镜的AB面经过磨砂，使透射式测量作漫射光源用折射棱镜的BC面也经过磨砂，供反射式测量作漫反射光源用透射式测量光路如图2-7（）所示将折射率为的待测物质放在折射率为n1的直角棱镜的斜面上，其棱角为A，并用光源S照明如果介质的折射率nn1，这时与图2-6相同，经棱

9、镜ABC两次折射后，由AC面射出的光束，在望远镜视场中将观察到半荫视场，明暗分界线就对应于掠面入射光束，测出AC面上相应的临界出射角，即可应用（2-4）式计算出n 图2-7 固体折射率测定光路图 应用阿贝折射仪测定固体折射率时不用照明棱镜对于加工有两个抛光面的固体样品，则光路可采用图2-7（）所示的透射式测量，对于加工只有一个抛光面的固体样品则可采用图2-7（）所示的反射式测量用光源S（一般为自然光）照亮折射棱镜上的磨砂面BC，使之成为一个扩展的平面光源，从面上各点发出的光线1、2射抵AB面上的E点时，入射角均不相同其中入射角大于临界角iC的，都发生在全反射后再由AC面射出，同样，在望远镜对准

10、1观察时，亦可看到半荫视场，只是明暗分布恰与透射光的视场分布相反，其临界出射角为最大，而且视场中明暗的对比也不如透射光明显，这是由于照射在AB面上那些小于临界角的光线，也会在AB面上产生部分的反射测出AC面上的临界出射角，仍（2-4）式，计算待测固体的折射率测定时，将待测样品的抛光面与折射棱镜AB面紧密的叠合在一起，中间添加一层接触液，形成均匀的液膜，其折射率应大于样品的折射率（例如溴代萘，nD=1.66），当折射率大于1.66时可用二碘甲烷（nD=1.74）进行测量，可以证明接触液的加入，并不影响计算公式的适用性 三、像的视高法测固体折射率若透过玻璃板垂直观察玻璃板下面的物体，所看到的并不是

11、该物体的实际位置，而是物体折射光线在反向延长线上所成的虚象的位置，该虚像的位置总比物的位置高，这就是像的视高A'n2n1 PP'i QATN图2-8 像的视高法原理图如图2-8所示，AA'为两种介质的分界面，上下两种介质的折射率分别为n1和n2，且 设有一物点P，以入射角i入射于界面上的Q点，经折射后沿QT方向进入上方介质，折射角为沿折射光线 QT反方向延长，则和法线PN相较于P'点，P'即为P的像在PNQ和P'NQ中，有： （2-5） （2-6）近轴情况下，即入射角i很小时，有： （2-7）联立(2-5)-(2-7)式可得： （2-8）根据折射

12、定律有： （2-9）因此，有： （2-10）透过玻璃板垂直观察物点P，此时入射角i很小，甚至为零，若上方介质为空气（折射率），则（2-10）式可写为： （2-11）若待测透明介质为平行平面玻璃板，则由（2-11）式可知，只要测出平行玻璃板的厚度NP，及像到界面的距离NP,即可求出玻璃板的折射率·实验内容与步骤 一、用阿贝折射仪测定液体的折射率 1校准：用阿贝折射仪测定液体折射率时，应用蒸馏水对仪器进行校准方法是在棱镜的磨砂面上滴上蒸馏水，旋紧棱镜锁紧手柄，测出液体的温度，根据温度查表，看此温度下蒸馏水的折射率的值n0调节反光镜1和12（WZS-1型为1和19），使目镜视场明亮，如图2

13、-9（a）；调节色散调节手轮6，直到出现明显的分界线为止，如图2-9（b）（亮暗分界线也可能位于叉丝中点的下方）；转动折射率刻度调节手轮15，使读数镜筒的刻度值为n0，然后观察视场中叉丝的交点是否在明暗分界线上，若没有对准，则调节仪器上的校正螺钉16，使视场中叉丝中心对准明暗分界线即完成校准2转动棱镜锁紧手柄12，打开棱镜，用脱脂棉沾一些无水酒精将棱镜面轻轻擦干净在照明棱镜的磨砂面上滴上一二滴待测液体，旋紧棱镜锁紧手柄，使液膜均匀，无气泡，并充满视场a图2-9 目镜视场未调节手轮6前，目镜中看到的图像亮暗分界不明显，有彩色条纹调节手轮6，直到出现明显的分界线为止调节手轮2，至明暗分界线经过叉丝

14、中心点bc 3调节两反光镜1和12（WZS-1型为1和19），使目镜视场明亮4旋转手轮2使棱镜组13转动，在望远镜中观察明暗分界线上下移动，同时调节色散调节手轮6，直到视场中除黑白二色外无其它颜色，且亮暗分界线在十字叉丝中心时，如图2-9(c)所示视场中所指示的刻度值，即为待测液体的折射率n的数值如图2-10所示，图a为WZS-1型阿贝折射仪目镜视场，读数为n=1.3301；图b为2WAJ型阿贝折射仪目镜视场，读数为1.4049. 图b图a 图2-10 阿贝折射仪读数系统示意图 5依同样的方法，重复上述步骤35次，算出折射率的平均值并计算标准差，并分析产生误差的原因 二、用视高法测定固体折射率

15、1 打开照明灯，调节反光镜，使目镜中获得较明亮的视野，并对目镜进行调焦 2在移测显微镜的载物台上描一个点P，未放玻璃样品时，调节移测显微镜镜筒的高低，使P点的像最清晰，记录镜筒高度位置的读数h13将平行板玻璃砖置于载物台的P点上，再调节镜筒的高低，找出P点清晰的像，记录镜筒的位置的读数h2 4在玻璃砖上方描一个点（在载物台上的点的正上方），读数显微镜能看清像时镜筒高度的读数h3则，带入（2-11）式即可求得玻璃砖的折射率5测3-5组，求平均值，计算标准差·实验数据测量 1、像视高法测平行板玻璃折射率实验数据表第i次12345平均h1i (mm)h2i (mm)h3i (mm)n2i2

16、、 用阿贝折射计测酒精折射率实验数据表 实验温度：_ 蒸馏水的折射率：_（查表）第i次12345平均ni·实验注意事项 1. 测量工作开始前，注意做好棱镜的清洁工作，以免在工作面上残留其它物质而影响测量精度2. 必须对阿贝折射仪进行读数校正3. 任何物质的折射率都与测量时使用的光波波长和温度有关，本仪器在消除色散的情况下测得的折射率，其对应光波的波长=589.3nm；如需要测量不同温度时的折射率，可将阿贝折射仪与恒温、测温装置连用，待棱镜组和待测物质达到所需温度后，方能进行测量一般均在室温下进行4. 像的视高法测玻璃板折射率时，要使像点尽量在目镜视野的中央，这时入射角很小，满足近似条件，方可有（2-11）式计算折射率·历史渊源与应用前景 测量折射率的方法可大致分为三类：一类是应用折射定律及反射、全反射定律，通过准确测量角度来求折射率的几何光学方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等另一类是利用光通过介质(或由介质反射)后，透射光的位相变化(或反射光的偏振态变化)来测定折射率的物理光学方法，比如布儒斯特角法、干涉法、椭偏法等第三类是利用表面等离子体共振（简称SPR）传感技术测定气体或液体折射率，它是通过对反射光强的测量，得到折射率的本实验介绍用掠入射法测定液体折射率，用光的折射和反射定律测固体折射率，是最简单的几何光学测定方法